工程教育認(rèn)證背景下《電氣控制與PLC》課程理實一體化教學(xué)模式探索

方貴盛，王紅梅，戴 曦

（ 浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

《電氣控制與PLC》 課程是機(jī)電類專業(yè)一門理論與實踐結(jié)合非常緊密的專業(yè)核心課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品電氣與PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試的能力，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計競賽，乃至畢業(yè)后從事相關(guān)工作打下堅實的基礎(chǔ)[1]。 傳統(tǒng)的《 電氣控制與PLC》 課程教學(xué)方法重理論輕實踐，或理論與實驗分開教學(xué)[2]。 學(xué)生學(xué)完課程后，到了畢業(yè)設(shè)計階段真正要做產(chǎn)品的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時，還是會顯得無從下手，不知道如何設(shè)計控制系統(tǒng)電氣原理圖、如何進(jìn)行安裝調(diào)試、如何分析解決問題等，無法做到學(xué)以致用、理實融合。我國從2006 年開始探索實施國際實質(zhì)等效的工程教育專業(yè)認(rèn)證制度，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，現(xiàn)已成為《華盛頓協(xié)議》的正式成員國，工程教育認(rèn)證質(zhì)量受到了國際的認(rèn)可[3]。 工程教育專業(yè)認(rèn)證制度對轉(zhuǎn)變高校的教育教學(xué)理念、推進(jìn)我國工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高起到了很好的促進(jìn)作用。 近年來，國內(nèi)各大高校均以通過工程教育認(rèn)證的專業(yè)數(shù)量作為衡量學(xué)校人才培養(yǎng)質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。 本文以我校開展的機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)工程教育認(rèn)證為契機(jī)，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)，以課程建設(shè)為抓手，對電氣控制與PLC課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行全方位改革，探索實施“ 結(jié)果導(dǎo)向、 項目引領(lǐng)、任務(wù)驅(qū)動、理實融合、質(zhì)量評價、持續(xù)改進(jìn)” 六位一體的課程教學(xué)模式，并構(gòu)建相應(yīng)的實驗教學(xué)條件和輔助支撐條件，以保證課程教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)課程教學(xué)模式存在的問題

據(jù)調(diào)研， 本科設(shè)置有機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、機(jī)械電子工程、電氣工程及其自動化等專業(yè)的高校均開設(shè)有電氣控制與PLC這門課程。 雖然近些年來高校教師圍繞該課程教學(xué)效果的提升提出了一些改革措施，如開展工程案例[4]、項目制[5]、行動導(dǎo)向[6]、翻 轉(zhuǎn) 課 堂[7]、 工 學(xué) 結(jié) 合[8]、 成 果 導(dǎo) 向[9]等，但是大多數(shù)高校對于該門課程的教學(xué)還是采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，傳統(tǒng)模式主要存在以下幾個方面的問題[10-12]。

（1）教學(xué)內(nèi)容重理論輕應(yīng)用。 目前大部分教師對于該課程還是采用傳統(tǒng)的章節(jié)式內(nèi)容組織與講解方式。 這種內(nèi)容組織方式注重知識的完整性和系統(tǒng)性，不注重知識的應(yīng)用性和實用性。 學(xué)生在上課過程中需要記憶大量的知識，但是對于知識如何在實際生活生產(chǎn)中得到應(yīng)用則知之甚少。

（2）教學(xué)過程重講授輕實踐。 由于理論方面的內(nèi)容講起來比較方便，只需要照著書本上的內(nèi)容來講即可，而實踐環(huán)節(jié)則需要教師具有實際工程項目背景、較強(qiáng)的實踐動手能力以及分析解決問題的能力等，因此有些老師上課時會避重就輕，壓縮實驗課時，或全部交給實驗指導(dǎo)老師去完成。 而實驗課教師在上課時由于對任課教師的授課情況和學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況不了解， 導(dǎo)致一個內(nèi)容可能重復(fù)講，也可能不講，造成時間上的浪費(fèi)和內(nèi)容上的低層次。 另外，由于實驗大多安排在課外時間進(jìn)行，學(xué)生重視度不夠，造成實驗效果欠佳，達(dá)不到預(yù)期效果。

（3）課程考核重知識輕能力。 考核方法是學(xué)生學(xué)習(xí)的指揮棒，教師所考即為學(xué)生所學(xué)。 傳統(tǒng)的課程考核以期末理論考試為主，考核的內(nèi)容也主要以知識為主，這就導(dǎo)致了學(xué)生只會學(xué)習(xí)一些書本上的知識，對于實際的工程技術(shù)應(yīng)用則知之甚少。 傳統(tǒng)的課程教學(xué)方式教的是知識，考的也是知識，而對于企業(yè)很看重的溝通表達(dá)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、實踐動手能力的培養(yǎng)，師生則關(guān)注不多，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)高分低能現(xiàn)象，達(dá)不到企業(yè)對人才的要求。

2 工程教育認(rèn)證背景下課程理實一體化教學(xué)模式

工程教育專業(yè)認(rèn)證制度體現(xiàn)的是本科高校專業(yè)辦學(xué)的底限思維，對人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求提出了基本要求。 傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式以知識傳授為主，教師對課程目標(biāo)的定位偏差會影響專業(yè)教學(xué)質(zhì)量。 而工程教育認(rèn)證背景下的課程教學(xué)，需要以專業(yè)的畢業(yè)要求為出發(fā)點， 反向構(gòu)思課程教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容，思考課程教學(xué)方法和課程教學(xué)目標(biāo)評價方法，并根據(jù)評價結(jié)果進(jìn)行課程教學(xué)質(zhì)量的不斷提升[13]。

2.1 以結(jié)果導(dǎo)向方式設(shè)計課程教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證 “ 反向設(shè)計、正向?qū)嵤?的思想，對于課程層面，首先需要根據(jù)專業(yè)的畢業(yè)要求、課程與畢業(yè)要求的對應(yīng)矩陣設(shè)計課程的教學(xué)目標(biāo)。 課程教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該是可衡量、可測評的，且需要與畢業(yè)要求相對應(yīng)。 根據(jù)我校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，電氣控制與PLC課程所對應(yīng)的畢業(yè)要求主要包括工程知識、問題分析、使用現(xiàn)代工具、個人和團(tuán)隊、溝通、終身學(xué)習(xí)等幾個方面，具體如表1 所示。 表中H、M、L表示支撐程度高、中、低三個類型。

2.2 以項目引領(lǐng)方式組建課程教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)前述設(shè)計的課程教學(xué)目標(biāo)，打破傳統(tǒng)章節(jié)式課程教學(xué)內(nèi)容組織方式，以工程項目形式重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容。 本課程分電氣控制技術(shù)、PLC技術(shù)兩個部分，由易到難，各構(gòu)建了7 個教學(xué)項目，如星三角降壓啟動控制電路的分析安裝與調(diào)試、自動送料小車PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試等。 這些項目涵蓋了課程教學(xué)大綱規(guī)定講授的內(nèi)容。 如電氣控制技術(shù)項目1《電動機(jī)單向運(yùn)行控制電路的分析、安裝與調(diào)試》，通過一個完整的項目構(gòu)思、設(shè)計、實施、運(yùn)作過程，讓學(xué)生熟知電動機(jī)、斷路器、熔斷器、熱繼電器、接觸器等元器件的電氣符號、工作原理、接線方法等，并能夠根據(jù)電氣原理圖繪制出其接線圖，最后進(jìn)行安裝接線和調(diào)試等。 經(jīng)過由淺到深的項目訓(xùn)練，通過與實際工程接軌，實現(xiàn)學(xué)以致用，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求間的關(guān)系

2.3 以任務(wù)驅(qū)動方式落實課堂教學(xué)方法

工程教育專業(yè)認(rèn)證要求在教學(xué)過程中貫徹 “ 以學(xué)生為中心” 的理念。 這就要求教師在教學(xué)過程中要摒棄傳統(tǒng) “滿堂灌” 的課堂教學(xué)方式，探索實施探究式、研討式、實踐式課堂教學(xué)方式，讓學(xué)生在做中學(xué)、思中學(xué)、問中學(xué)，帶著任務(wù)學(xué)[14]。 電氣控制與PLC課堂教學(xué)采用任務(wù)驅(qū)動法，每個教學(xué)項目均需要完成一定的目標(biāo)任務(wù)，有的是知識記憶方面的任務(wù)，有的是實踐動手方面的任務(wù)，有的是綜合分析方面的任務(wù)，有的是報告撰寫方面的任務(wù)等。 對于不同的教學(xué)任務(wù)， 可以采用不同的教學(xué)方法來完成。 比如PLC技術(shù)項目1《 電動機(jī)單向運(yùn)行的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝與調(diào)試》，分為PLC認(rèn)知、電動機(jī)單向運(yùn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、電動機(jī)單向運(yùn)行PLC控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試三個目標(biāo)任務(wù)。 任務(wù)1“PLC認(rèn)知” 要求學(xué)生對PLC有一定的了解，可以采用講授與實踐相結(jié)合的方法，先由任課教師講解PLC的基本概念、結(jié)構(gòu)組成、工作原理、常用型號等基本知識，然后給每組學(xué)生發(fā)放一個PLC，讓學(xué)生自行查找資料并討論，了解PLC實物上各符號的含義，進(jìn)行分組匯報交流等。 對于任務(wù)3 “ 電動機(jī)單向運(yùn)行PLC控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試”，則要求學(xué)生根據(jù)電動機(jī)單向運(yùn)行PLC控制系統(tǒng)的電氣原理圖，選擇合適的元器件進(jìn)行系統(tǒng)安裝與調(diào)試，并針對調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題分析其原因，并提出相應(yīng)的解決措施。 任務(wù)驅(qū)動法課堂教學(xué)體現(xiàn)“ 以任務(wù)為主線、以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)” 的教學(xué)理念，改變了傳統(tǒng) “ 教師講、學(xué)生聽” 的被動教學(xué)模式，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。 在課堂上，學(xué)生不再是無所事事，而是為了完成目標(biāo)，個個躊躇滿志，隊隊爭先恐后， 極大提高了課堂教學(xué)的有效性。

2.4 以理實融合方式培養(yǎng)學(xué)生綜合能力

目前大多數(shù)本科高校電氣控制與PLC課程還是采用傳統(tǒng)的理論與實驗分開教學(xué)的方法。 學(xué)生在學(xué)了一定的課程理論基礎(chǔ)知識之后，開始做一些課程實驗，以驗證課程相關(guān)理論知識。 這種課程教學(xué)方式存在理論與實踐相脫節(jié)的問題。 為了改變這種局面，我校從2009 年開始探索實施理實一體化課程教學(xué)模式，將課程教學(xué)搬到實驗室內(nèi)進(jìn)行，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時可以動手實踐，真正做到理論與實踐相結(jié)合、教學(xué)做于一體。 教師在上課時，先進(jìn)行項目引入，然后教一些基本的原理和方法，并對學(xué)生存在的一些共性問題進(jìn)行解答。 學(xué)生則根據(jù)老師布置的任務(wù)要求，進(jìn)行電氣原理圖理解、接線圖設(shè)計、PLC程序設(shè)計等，最后分組進(jìn)行動手接線、調(diào)試、檢測等。 課后則需要完成一定的作業(yè)任務(wù)與預(yù)習(xí)任務(wù)。 這種理實一體化教學(xué)方法，學(xué)生不會一直在聽老師講，而是在做中學(xué)、做中思，避免了聽覺疲勞現(xiàn)象的發(fā)生。 當(dāng)個人不懂時，組內(nèi)同學(xué)間可以相互探討，相互學(xué)習(xí)，也可以咨詢老師，大大提高了上課的效果，對學(xué)生團(tuán)隊合作能力、實踐動手能力、分析解決問題能力的培養(yǎng)也有很大的促進(jìn)作用。

2.5 以課程考核與目標(biāo)達(dá)成度測評方式評價課程教學(xué)質(zhì)量

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生投入更多的時間和精力在課程學(xué)習(xí)上，本課程以目標(biāo)考核為導(dǎo)向，建立了詳細(xì)的課程考核規(guī)則。 比如學(xué)生的課程學(xué)業(yè)成績由平時成績、實踐成績、期末考試成績?nèi)糠纸M成，其中平時成績占比為25%，包括考勤成績、作業(yè)成績、 階段性測試成績、 項目報告成績、在線網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)成績、加減分項等；實踐成績占比為25%，包括了項目操作成績與項目操作考核成績；期末考試成績占比50%，設(shè)計了多種題型，其中分析與設(shè)計題占比不少于30%，以綜合測評學(xué)生的專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力。 從近兩年我校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學(xué)生本課程考核成績來看，課程總評平均成績均超過了70 分，說明學(xué)生總體表現(xiàn)良好，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

為了測算課程的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度，本課程采用了定性與定量相結(jié)合的方式。 定量方法是根據(jù)課程各項成績評分來衡量目標(biāo)達(dá)成度，定性方法是在課程結(jié)束前通過學(xué)生課程教學(xué)目標(biāo)滿意度問卷調(diào)查結(jié)果來衡量。 課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度測評計算依據(jù)及結(jié)果如表2 所示。 表中每項教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度取兩次測評結(jié)果的最低值，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，本課程最終的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度為0.82，超過了多數(shù)高校教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度設(shè)定值0.7 的基準(zhǔn)線[15]，總體教學(xué)效果令人滿意。

表2 課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度測評數(shù)據(jù)

2.6 以持續(xù)改進(jìn)方式不斷提高課程教學(xué)質(zhì)量

從學(xué)生課程考核成績和教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度測評數(shù)據(jù)來看，雖然總體結(jié)果令人滿意，但仍存在諸多細(xì)節(jié)需要在下一輪教學(xué)過程中進(jìn)行改進(jìn)和完善。

（1）學(xué)生期末考試成績總體偏低，有的學(xué)生甚至沒有及格。 其原因除少數(shù)學(xué)生個人努力程度不夠以外，與課程教學(xué)方法改革也有一定的關(guān)系。 由于實施理實一體化教學(xué)，學(xué)生大部分時間都用在了課程實踐上，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)的時間偏少。 另外采用項目制教學(xué)，分組進(jìn)行作業(yè)，有些學(xué)生存在依賴心理，“打醬油” 現(xiàn)象時有發(fā)生。

（2）問題分析方面的課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度不是很理想，只有0.71，略高于基準(zhǔn)線。 原因在于分析題、設(shè)計題往往要求學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)知識進(jìn)行問題分析與解決。 但是因為課時的有限性，大部分學(xué)生很難在短時間內(nèi)做到知識的融會貫通，影響了能力的發(fā)揮。

針對上述存在的問題，在課程下一輪教學(xué)過程中，可以采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。 對于課程理論方面的知識，要求學(xué)生在課外借助精品在線開放課程微視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)。 在課堂上老師可以安排一定的作業(yè)來檢查學(xué)生課外預(yù)習(xí)的情況，并對學(xué)生不太理解的問題和內(nèi)容進(jìn)行集中或分散指導(dǎo)。 另外對于分析設(shè)計這樣難度較大的題型，可以采用集中訓(xùn)練的方式，給學(xué)生提供較多的工程案例，幫助學(xué)生提高分析解決問題的能力。

3 理實一體化課程教學(xué)模式的保障機(jī)制

3.1 課程團(tuán)隊的組建

為了實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)，本課程組建了由校內(nèi)外5 位教師組成的課程教學(xué)團(tuán)隊。 團(tuán)隊中有校內(nèi)教授1 人、副教授1 人，講師2 人，校外企業(yè)工程師1 人，總體教學(xué)經(jīng)驗豐富。 團(tuán)隊成員共同編寫課程教學(xué)大綱、共同備課、共同研討、共同開發(fā)教學(xué)資源等，實現(xiàn)資源共享，教學(xué)方法共享。

3.2 實踐教學(xué)條件的構(gòu)建

電氣控制與PLC課程依托學(xué)?，F(xiàn)有的機(jī)械工程省級實驗教學(xué)示范中心，建設(shè)有專門的PLC理實一體化實驗室，如圖1 所示。 實驗室內(nèi)配置有42 臺電腦、9 套物料分揀輸送裝置、9 套低壓電氣元器件， 以 及6 套 西 門 子S7 -200、 S7 -1200、 S7 -1500PLC等。 實驗室內(nèi)安裝有投影儀、音響、黑板等，能夠滿足一個班40 余人的課程教學(xué)任務(wù)。

3.3 教學(xué)資源的開發(fā)與利用

理實一體化課程需要教師在課外準(zhǔn)備較多的教學(xué)材料，以幫助學(xué)生達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)。 本課程已建設(shè)的教學(xué)資源有課程教學(xué)大綱、授課計劃、課程教案、課程教學(xué)PPT、項目報告格式模板、課程微視頻、習(xí)題冊等。 課程建有省精品在線開放課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生可以利用該平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和作業(yè)測評，并可與任課教師進(jìn)行交流探討等。

圖1 PLC理實一體化實驗室場景

4 結(jié) 語

浙江水利水電學(xué)院自2000 年開設(shè)《 電氣控制與PLC》 課程以來，經(jīng)過了近20 年的發(fā)展，先后被評為校級精品課程、省級精品課程，目前正立項建設(shè)省級精品在線開放課程。 課程的教學(xué)模式也逐漸從傳統(tǒng)的講授式教學(xué)向理實一體化教學(xué)轉(zhuǎn)變，并引入了新的工程教育認(rèn)證理念和方法，保證了課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。 課程改革實施兩年多以來，學(xué)生的能力有了明顯的提升，主要體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計和專業(yè)綜合實踐過程中，學(xué)生做產(chǎn)品的電氣控制系統(tǒng)實物時能夠很快上手，不需要老師過多指導(dǎo)，就能夠自己買電氣元器件、自己安裝調(diào)試、自行編程設(shè)計、自己分析解決問題等，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。